通信電子電路課程設(shè)計--小功率調(diào)頻發(fā)射機課程設(shè)計

1、<p>　　小功率調(diào)頻發(fā)射機課程設(shè)計</p><p><b>　　題目</b></p><p>　　小功率調(diào)頻發(fā)射機的設(shè)計和制作</p><p><b>　　主要技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　1．中心頻率 </p><p>　　2．頻率穩(wěn)定度

2、 </p><p>　　3. 最大頻偏 </p><p>　　4．輸出功率 </p><p>　　5. 天線形式 拉桿天線（75歐姆）</p><p>　　6. 電源電壓 </p><p><b>　　三、設(shè)計提示</b></p><p>　

3、　通常小功率發(fā)射機采用直接調(diào)頻方式，它的組成框圖如下所示。其中高頻振蕩級主要是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、中心頻率符合指標(biāo)要求的正弦波信號，且其頻率受到外加音頻信號電壓調(diào)變；緩沖級主要是對調(diào)頻振蕩信號進行放大，以提供末級所需的激勵功率，同時還對前后級起有一定的隔離作用，為避免級功放的工作狀態(tài)變化而直接影響振蕩級的頻率穩(wěn)定度；，功放級的任務(wù)是確保高效率輸出足夠大的高頻功率，并饋送到天線進行發(fā)射。</p><p>　　上述框所示小

4、功率發(fā)射機設(shè)計的主要任務(wù)是選擇各級電路形式和各級元器件參數(shù)的計算。</p><p><b>　　頻振蕩級</b></p><p>　　由于是固定的中心頻率，可考慮采用頻率穩(wěn)定度較高的克拉潑振蕩電路。關(guān)于該電路的設(shè)計參閱《高頻電子線路實驗講義》中實驗六內(nèi)容。</p><p><b>　　2、緩沖級</b></p>

5、<p>　　由于對該級有一定增益要求，考慮到中心頻率固定，因此可采用以LC并聯(lián)回路作負載的小信號諧振放大器電路。對該級管子的要求是</p><p>　　至于諧振回路的計算，一般先根據(jù)計算出LC的乘積值，然后選擇合適的C再求出L。C根據(jù)本課題的頻率可取100pF—200pF。</p><p><b>　　功放輸出級</b></p><p

6、>　　為了獲得較大的功率增益和較高的集電極效率，該級可采用共發(fā)射極電路，且</p><p>　　工作在丙類狀態(tài)，輸出回路用來實現(xiàn)阻抗匹配并進行濾波，從結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便起見，本課題可采用п型網(wǎng)絡(luò)，計算元件參數(shù)時通常取在10以內(nèi)，計算公式請參閱教材第二章。功放管要滿足以下條件：</p><p><b>　　四、參考電路</b></p><p&g

7、t;　　鑒于上述設(shè)計考慮圖3—1所示是可供午安用的電路之一。在條件許可時，亦可采用MC2833單片集成電路滅設(shè)計，該集成電路工作原理請參見其規(guī)格書，應(yīng)結(jié)合本課題要求對電路外圍元件參數(shù)作相應(yīng)計算修改。</p><p>　　考慮到變?nèi)荻O管偏置電路簡單起見，采用共基電路。因要求的頻偏不大，故采用變?nèi)荻O管部份接入振蕩回路的直接調(diào)頻方式。C3為斟極高頻旁路電容，R1、R2、R3、R4、R5為T1管的偏置電阻。采用分壓式

8、偏置電路既有利于工作點穩(wěn)定，且振蕩建立后自給負偏置效應(yīng)有籃球振蕩幅度的穩(wěn)定。一般選IC為3mA左右，太小不易起振，太大輸出振蕩波形將產(chǎn)生失真。調(diào)節(jié)C9、CP可使高頻線性良好。R7、R9為變?nèi)荻O管提供直流偏置。調(diào)制音頻信號C4、加到變?nèi)荻O管改變振蕩頻率實現(xiàn)調(diào)頻。振蕩電壓經(jīng)電容C10耦合加至T2緩沖放大級。</p><p>　　T2緩沖放大級采用諧振放大，L2和C11應(yīng)諧振在振蕩載波頻率上。如果發(fā)現(xiàn)通過頻帶太窄或

9、出現(xiàn)自激可在L2兩端并聯(lián)上適當(dāng)電阻以降低回路Q值。該級可工作于甲類以保證足夠的電壓放大。</p><p>　　T3管工作在丙類狀態(tài)，既有較高的效率，同時可以防止T3管產(chǎn)生高頻自激而引起的二次擊穿損壞。調(diào)節(jié)偏置電阻可改變T3管的導(dǎo)通角。L3、L4、C15和C16構(gòu)成型輸出回路用來實現(xiàn)阻抗匹配并進行濾波，即將天線阻抗變換為功放管所要求的負載值，并濾除不必要的高次諧波分量。常用的輸出回路還有L型、T型以及雙調(diào)諧回路等。

10、</p><p>　　圖3—1 小型調(diào)頻發(fā)射機參考電路</p><p><b>　　五、制作調(diào)試</b></p><p>　　自制前應(yīng)先集齊所有元件，并對其質(zhì)量及參數(shù)進行細心的檢測，再根據(jù)所需的體積設(shè)計一款合適的線路板?？偠灾己玫脑|(zhì)量、合適的印板布局是有效提高自制成功率的保證，主要調(diào)試步驟如下：</p><p&g

11、t;　　排版電路板，然后將所有元件連同天線一并按設(shè)計好的電路焊在萬能板上，對安裝焊接工藝要求是：盡量縮短高頻部分元件引線；電阻、電容盡可能臥式安裝，并無虛焊、脫焊現(xiàn)象。</p><p>　　給發(fā)射機通電，電壓為9V。天線接示波器與頻率計，反復(fù)調(diào)節(jié)L1、L2、L3匝間距離以使場強計示數(shù)增至最大，必要時對各級的諧振電容進行調(diào)節(jié)，使輸出頻率達到要求，并出現(xiàn)不失真的正弦波。</p><p>　　不

12、起振或振蕩弱；若輸出功率小，若能保證元件的質(zhì)量，以下步驟可助你排除故障：1，在CC兩端并聯(lián)一個7pF電容(注意：該電容不可過大，否則你會發(fā)現(xiàn)調(diào)制失效)；2，調(diào)振蕩級偏置電阻；3，改變C6容量一試，如果上述方法不能解決，也有可能是元件布局不合理引起，可重新對電路板進行布線。</p><p>　　連接頻偏儀測出角頻偏</p><p><b>　　六、測試結(jié)果</b><

13、;/p><p><b>　　七、個人電路設(shè)計</b></p><p>　　采用間接調(diào)頻的方式，其組成如圖2所示。其正弦波振蕩器一般采用高頻穩(wěn)度的晶體振蕩器，產(chǎn)生的載波通過調(diào)相器后引入一個可控的附加相移，從而達到間接調(diào)頻的目的?？紤]到電路的復(fù)雜度故采用直接調(diào)頻的方案。</p><p><b>　　1．振蕩級</b></p&

14、gt;<p>　　在調(diào)頻振蕩級可選用電感三點式，電容三點式和晶體振蕩器產(chǎn)生正弦波電壓。具體電路如圖3，4所示。</p><p>　　本實驗采用較為穩(wěn)定的克拉潑電路如圖5所示三極管T1應(yīng)為甲類工作狀態(tài)，其靜態(tài)工作點不應(yīng)設(shè)的太高，工作點太高振蕩管工作范圍易進入飽和區(qū)，輸出阻抗的降低將使振蕩波形嚴(yán)重失真，但工作點太低將不易起振。</p><p>　　在克拉潑電路中C1，C2受三極管

15、級間電容Cce，Cbe，Ccb的影響。因此在電容的取值上應(yīng)滿足C4C1,C4C2.（C1=220p C2=220p C4=100p）</p><p><b>　　3.5uH</b></p><p><b>　　2．緩沖級</b></p><p>　　為了使第三級能夠達到額定功率必須加大激勵即Vbm，因此要求緩沖級有一定的增

16、益，可采用LC并聯(lián)回路作負載的小信號諧振放大器。由可得1.7uH</p><p><b>　　3．功率輸出級</b></p><p>　　為了有較高的效率和穩(wěn)定的輸出可用丙類功放同上可得1.1uH.</p><p>　　級與級之間還應(yīng)加入級間耦合電容，電容取值應(yīng)對交流近似短路（）</p><p><b>　　八

17、、實驗相關(guān)資料 </b></p><p>　　1. 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路</p><p>　　實現(xiàn)調(diào)頻的方法很多，大致可分為兩類，一類是直接調(diào)頻，另一類是間接調(diào)頻。直接調(diào)頻是用調(diào)制信號電壓直接去控制自激振蕩器的振蕩頻率（實質(zhì)上是改變振蕩器的定頻元件），變?nèi)荻O管調(diào)頻便屬于此類。間接調(diào)頻則是利用頻率和相位之間的關(guān)系，將調(diào)制信號進行適當(dāng)處理（如積分）后，再對高頻振蕩進行調(diào)相，以達到調(diào)

18、頻的目的。兩種調(diào)頻法各有優(yōu)缺點。直接調(diào)頻的穩(wěn)定性較差，但得到的頻偏大，線路簡單，故應(yīng)用較廣；間接調(diào)頻穩(wěn)定性較高，但不易獲得較大的頻偏。    常用的變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路如圖Z0916（a）所示。    圖中D為變?nèi)荻O管，C2、L1、和C3組成低通濾濾器，以保證調(diào)制信號順利加到調(diào)頻級上，同時也防止調(diào)制信號影響高頻振蕩回路，或高頻信號反串入調(diào)制信號電路中

19、。調(diào)制級本身由兩組電源供電。    對高頻振蕩信號來說，L1可看作開路，電源EB的交流電位為零，R1與C3并聯(lián)；如果將隔直電容C4近似看作短路，R2看作開路，則可得到圖（b）所示的高頻等效電路。不難看出，它是一個電感三點式振蕩電路。變?nèi)荻O管D的結(jié)電容Cj，充當(dāng)了振蕩回路中的電抗元件之一。所以振蕩頻率取決于電感L2和變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj的值， 。</p><p>　　圖

20、Z0918是應(yīng)用電路舉例請讀者自行分析</p><p>　　2. 使用VCO實現(xiàn)變?nèi)荻O管直接調(diào)頻(圖)</p><p>　　調(diào)頻廣播具有抗干擾性能強、聲音清晰等優(yōu)點，獲得了快速的發(fā)展。調(diào)頻電臺的頻帶通常大約是200～250kHz，其頻帶寬度是調(diào)幅電臺的數(shù)十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調(diào)幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號的頻率局限于30～800

21、0Hz的范圍內(nèi)。在調(diào)頻時，可以將音頻信號的頻率范圍擴大至30～15000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質(zhì)量大為提高。---許多中小功率的調(diào)頻發(fā)射機都采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻技術(shù)，即在工作于發(fā)射載頻的LC振蕩回路上直接調(diào)頻，采用晶體振蕩器和鎖相環(huán)路來穩(wěn)定中心頻率。較之中頻調(diào)制和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進的頻率調(diào)制方案。</p><p>　　變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理

22、---二極管通過改變外加反向電壓可以改變空間電荷區(qū)的寬度，從而改變勢壘電容的大小。變?nèi)荻O管是就是利用這種特性制成的特殊的PN結(jié)二極管，是一種電抗可變的非線性電路元件，一般使用的材料為硅或砷化鎵。圖1是變?nèi)荻O管的特性曲線，圖2是變?nèi)荻O管直接調(diào)頻示意圖。</p><p>　　---變?nèi)荻O管在反向偏置時，結(jié)電容可用下式來表示：，其中，VD為PN結(jié)內(nèi)建電位差，Cj0為外加反向電壓u=0時的結(jié)電容，n為電容變化指

23、數(shù)。n取決于變?nèi)荻O管PN結(jié)的雜質(zhì)分布規(guī)律，對于緩變結(jié)n值等于1/3，突變結(jié)n值等于1/2，超突變結(jié)n值在1～5之間。---變?nèi)荻O管在反向偏置直接調(diào)頻電路中，不能工作于正向偏壓區(qū)。如圖2所示，為了保證變?nèi)荻O管在調(diào)制電壓變化過程中保持反向偏壓，必須加上一個大于調(diào)制信號振幅的反向直流偏壓E0。所以在單音調(diào)制時，變?nèi)荻O管上的電壓u=E0+UΩcosΩt，得到結(jié)電容變化規(guī)律為(見本期雜志）---式中，稱為電容調(diào)制度，---為靜態(tài)工作

24、點時的結(jié)電容。---則振蕩回路的諧振角頻率為：(見本期雜志）---式中，是未受調(diào)制時的振蕩角頻率，即載波角頻率。將式中作為變量，并在處展開為泰勒級數(shù)，得到：(見本期雜志）---從上式可以看出，振蕩器的頻率變化量中不僅包含有與調(diào)制信號成正比的分量，而且含有調(diào)制信號的二次諧波及更高次諧波分量，同時還有中心頻率的漂移。一般總是在保證最大角頻偏的前提下，選擇具有較大變?nèi)葜笖?shù)n的管子，減小電容調(diào)制度m，從而減小中心頻率的漂移</p&g

25、t;<p>　　鎖相穩(wěn)頻技術(shù)---對于變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路來說，由于調(diào)制器是由普通的LC自激振蕩器和并聯(lián)的變?nèi)荻O管組成，所以有很多因素會引起振蕩頻率發(fā)生變化，這些因素包括變?nèi)荻O管的非線性、電源電壓的變動、負載的變化、溫度等環(huán)境條件的變化、電路元器件老化、機械振動等。為了消除這些導(dǎo)致中心頻率不穩(wěn)定的因素，除了注意電路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計外，還應(yīng)當(dāng)采用自動相位控制電路使中心頻率穩(wěn)定在規(guī)定范圍以內(nèi)。---圖3是典型的鎖相穩(wěn)頻

26、電路的結(jié)構(gòu)框圖。共包括四個部分：壓控振蕩器、鑒相器、基準(zhǔn)晶體振蕩器和分頻器。放大的調(diào)制信號加入壓控振蕩器，對其進行頻率調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制的高頻信號一路送至后面的放大電路，另一部分送入分頻器進行分頻。分頻器輸出的方波信號送入鑒相器中，與基準(zhǔn)晶體振蕩器經(jīng)過分頻后得到的基準(zhǔn)信號進行比較，實現(xiàn)相位鎖定。鑒相器的輸出信號經(jīng)過環(huán)路濾波器送入壓控振蕩器中，控制壓控振蕩器的振蕩頻率，從而達到穩(wěn)定頻率的目的。</p><p>　　由于

27、調(diào)頻的結(jié)果使壓控振蕩器輸出信號的瞬時頻率總是偏離其基準(zhǔn)值，而環(huán)路的功能就是要抑制這種頻偏，這就產(chǎn)生了一個矛盾。為了解決這個矛盾，應(yīng)該使調(diào)制信號的頻譜處于環(huán)路通帶之外，也就是需要在鑒相器和壓控振蕩器之間加一個低通濾波器，將其濾除。環(huán)路只對引起壓控振蕩器平均中心頻率不穩(wěn)定的那一部分起作用，也就是說，已調(diào)信號在中心頻率附近很小的一個頻偏范圍內(nèi)變化。</p><p>　　主要電路工作原理---本電路實際上是一個小功率調(diào)

28、頻發(fā)射機，其調(diào)制部分采用了變?nèi)荻O管直接調(diào)頻技術(shù)，主要功能是實現(xiàn)87～108MHz頻段內(nèi)以100kHz為間隔的調(diào)頻激勵源；輸入調(diào)頻信號為音頻(30Hz～15kHz)，要求實現(xiàn)最大頻偏為75kHz，其框圖如圖4所示。</p><p>　　下面簡單分析一下各主要部分的工作原理。 ● VCO電路---VCO電路是實現(xiàn)頻率調(diào)制與載波生成的關(guān)鍵性電路部分，其具體電路如圖5所示。</p><

29、p>　　4個性能一致的超突變結(jié)變?nèi)荻O管MV209采取較為復(fù)雜的串并聯(lián)形式，通過電路的復(fù)雜性來換取性能的改善，并采用部分接入法接入諧振回路，即將變?nèi)荻O管C與容量較小的耦合電容C1串聯(lián)，再與一個電容C2并聯(lián)，構(gòu)成回路總電容。這樣做不會改變變?nèi)荻O管的調(diào)頻特性，雖然會在一定程度上減小調(diào)頻電路的最大頻偏，但是可以改善變?nèi)荻O管結(jié)電容隨溫度變化而帶來的中心頻率漂移問題，同時通過調(diào)整耦合電容C1的大小，可以保證變?nèi)荻O管工作在線性區(qū)，并控

30、制頻偏大小。在保證最大頻偏的前提下，盡量消除非線性失真、降低輸出信號的相位噪聲。---起振電路中選用具有低轉(zhuǎn)角頻率、低噪聲指數(shù)的雙極性晶體管2SC3356，以提高VCO電路頻譜近端的頻譜質(zhì)量。在起振電路后附加一級射隨器，以減小負載電路對起振電路的影響，從而獲得良好的性能。已調(diào)信號通過射隨器后，分為兩路，一路反饋至MC145170的FIN端口，以構(gòu)成鎖相回路，另一路送入后端的放大電路，以滿足系統(tǒng)的輸出功率要求。</p>&

31、lt;p>　　鎖相穩(wěn)頻電路---鑒相器是穩(wěn)定頻率的核心部分，該部分由數(shù)字鑒相-鑒頻集成芯片MC145170和環(huán)路低通濾波器組成，如圖6所示。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩器選用MORION公司的溫補晶振MV68系列(10MHz)，頻率偏差小于5×10-6，短期頻率穩(wěn)定度為10-9/S，相位噪聲小于-145dBc/Hz/10kHz，完全可以保證電路滿足系統(tǒng)對頻偏的要求。---鎖相環(huán)集成芯片選

32、用了摩托羅拉公司的MC145170，來實現(xiàn)調(diào)頻激勵源的中心頻率在87～108MHz內(nèi)以100kHz為間隔的變化。摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC145170是一片可用于MF、HF和VHF波段的、串行碼輸入編程的單模CMOS鎖相環(huán)頻率合成器芯片。該芯片內(nèi)含完全可編程的÷R和÷N計數(shù)器，輸入譯碼器，在fin腳內(nèi)置一放大器，可外接晶體振蕩器，可編程的參考輸出，具有線性轉(zhuǎn)移功能的單端或雙端鑒相器和可調(diào)整的C寄存器。---在實際電路中

33、，選用10kHz的鑒相頻率，因此設(shè)置R=1000，N=8700～10800。同時設(shè)置C寄存器為(C7C6C5C4C3C2C1C0)=(10000000)，選擇φR與φV雙端輸出，禁止LD、fR、fV、REFOUT輸出，以減小電路功耗，同時降低無用端口對電路的影響。---常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器</p><p>　　PCB板的設(shè)計與測試結(jié)果---頻率合成器對饋電電

34、源、地線分布等電磁兼容問題都有著較嚴(yán)格的要求。這是因為電源和數(shù)據(jù)總線的噪聲能耦合到鎖相環(huán)系統(tǒng)中，使得相噪和雜散變壞。因此，在布局PCB版圖時，應(yīng)做到一下幾點。---(1)對鑒相器、壓控振蕩器分別單獨供電、單獨穩(wěn)壓，穩(wěn)壓器的輸入、輸出端都接有Π型濾波電路；---(2)布線、元件排列應(yīng)該盡量整齊；---(3)電源線應(yīng)該加寬，約為1mm寬，信號線寬度也要達到0.75mm。---采取以上措施能夠有效地濾除所有無用頻率和電源紋波，抑制各種

35、干擾和噪聲，降低頻率合成器的相位噪聲和雜散。下面表1和表2給出了在載頻為100MHz時的各項測試指標(biāo)，表3則給出了該電路在各載頻頻點的調(diào)頻信噪比指標(biāo)。---從表中的數(shù)據(jù)可以看出，本電路完全滿足了系統(tǒng)的要求，并且在相位噪聲、非線性失真、音頻頻率響應(yīng)和調(diào)頻信噪比等方面都有很好的特性。相位噪聲小于 -100dBc/Hz/10kHz，非線性失真小于0.1%，音頻頻率響應(yīng)非常理想，調(diào)頻信噪比達到80dB以上。與此同時，載波頻率穩(wěn)定度控制在200

36、Hz以內(nèi)，輸出信號頻率偏差不超過1kHz，各項指標(biāo)滿足國家廣電總局的技</p><p><b>　　九、實驗小結(jié)</b></p><p>　　這個實驗是關(guān)于小功率調(diào)頻發(fā)射機工作原理分析及其安裝調(diào)試，通過這次實驗我們可以更好地鞏固和加深對小功率調(diào)頻發(fā)射機工作原理和非線性電子線路的進一步理解。學(xué)會基本的實驗技能，提高運用理論知識解決實際問題的能力。在實驗過程中，通過選取元

37、件、確定電路形式、以及計算等等，提高我們的動手能力，同時通過調(diào)試來發(fā)現(xiàn)自己的錯誤并分析及排除這些故障，使我們對小功率放大器的知識得到了加深！在調(diào)試過程中應(yīng)該注意以下幾點：</p><p>　　用電壓表測一下三個三極管的管腳電壓是否滿足該設(shè)計的要求。</p><p>　　用頻率計測出T1、T2、T3的發(fā)射極所發(fā)射的頻率是否在12M HZ，如果不是，試著調(diào)節(jié)L1、L2、L3。</p>

38、;<p>　　如果在天線處觀察波形的峰峰值不在4V的話，則應(yīng)該在T2和T3的發(fā)射極的電阻上各并聯(lián)一個電容，以使其提高。</p><p>　　現(xiàn)在來說說電路中一些元件的作用，其中C3為基極高頻旁路電容，R1、R2、R3、R4、R5為T1管的偏置電阻，R7、R9為變?nèi)荻O管提供直流偏置。T3管工作在丙類狀態(tài)，媽有較高的效率，賜教可以防止T3管產(chǎn)生高頻自激而引起的二次擊穿損壞。調(diào)節(jié)偏軒電阻可改變T3管的導(dǎo)